(57)【要約】  回転電機制御システム（１０）は、分割数ｎで分割された永久磁石（３０），（３１）を含むロータ（２６）を有する回転電機（２０）と、キャリア周波数ｆを有する搬送波を用いＰＷＭ制御によって回転電機（２０）を駆動するインバータ回路（１８）と、磁石の分割数ｎと磁石温度とキャリア周波数ｆとの関係を示す関係ファイル（６２）を記憶する記憶部（６０）と、制御装置（５０）を備える。制御装置（５０）は、磁石目標温度を取得する条件取得処理部（５２）と、回転電機（２０）の回転数を取得する回転数取得処理部（５４）と、磁石の分割数ｎと磁石目標温度を与えて、記憶部（６０）を検索し、対応するキャリア周波数ｆをインバータ制御部（４８）に指示するキャリア周波数設定処理部（５６）を含む。
2011148457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分割磁石を含むロータを有する回転電機と、
キャリア周波数を有する搬送波を用いＰＷＭ制御によって回転電機を駆動するインバータ回路と、
回転電機の磁石の磁石目標温度を取得する条件取得手段と、
磁石の分割数と磁石温度とキャリア周波数との関係を記憶する記憶部と、
磁石の分割数と磁石目標温度とを与えて、記憶部を検索し、対応するキャリア周波数をインバータ回路の搬送波周波数として設定するキャリア周波数設定部と、
を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
回転電機は、高温減磁特性を有する磁石を含み、
さらに、
回転電機の回転数を取得する回転数取得手段を備え、
キャリア周波数設定部は、回転数が高速になるほど磁石目標温度を高く設定することを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項３】
回転電機の磁石の磁石目標温度を取得する条件取得工程と、
磁石の分割数と磁石目標温度とを与えて、磁石の分割数と磁石温度とキャリア周波数との関係を記憶する記憶部を検索し、対応するキャリア周波数を回転電機に接続されるインバータ回路の搬送波周波数として設定するキャリア周波数設定工程と、
を含むことを特徴とする回転電機の磁石温度操作方法。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電機の磁石温度操作方法において、
キャリア周波数設定工程は、回転電機が高回転低トルクのときのキャリア周波数と、低回転高トルクのときのキャリア周波数を異なるものとして設定することを特徴とする回転電機の磁石温度操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機制御システム及び回転電機の磁石温度操作方法に係り、特に、磁石を有する回転電機について、磁石の温度を制御する回転電機制御システム及び回転電機の磁石温度操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を含むロータを有する回転電機は、永久磁石の温度特性が問題になることがある。例えば、特許文献１には、回転電機の駆動制御装置として、インバータの出力電流のリップルがキャリア周波数によって異なることと、出力電流のリップルの大きさで回転電機の磁石の発熱が異なることを指摘している。ここでは、磁石の温度に応じて、キャリア周波数を変更することが述べられている。特許文献２にも同様に、磁石の温度に応じてキャリア周波数を変更することが述べられている。【０００３】
特許文献３には、回転電機として、永久磁石の温度による誘起起電力の増大を抑制するために、ロータを永久磁石とコイルを有する外周側回転部と、その内側の内周側回転部とに分けて、外周側回転部と内周側回転部とが一体化して回転する一体化回転状態と、外周側回転部と内周側回転部とが相対的に回転することで外周側回転部のコイルを通る磁束の変化を生じさせて電磁誘導によってコイルを加熱する相対的回転状態とを切替可能とする構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０６３３８号公報
【特許文献２】特開２００９−１８９１８１号公報
【特許文献３】特開２００９−２７３２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、磁石の磁束密度には温度特性がある。例えば、ネオジウム磁石では、高温になるほど磁束密度が減少する高温減磁特性を有する。ところで、回転電機の動作状態によって、磁石に対する要求は、以下のように異なってくる。【０００６】
例えば、回転電機に低回転高トルクが要求されるときには、駆動電流が大きくなるので巻線抵抗による損失である銅損が支配的になる。また、磁石の磁束密度が大きいほどトルクが出しやすいので、磁石周りの渦電流損失を抑制して磁束密度を維持することが好ましい。磁石周りの渦電流損失を抑制する方法の１つは、磁石を分割して、渦電流を少なくすることである。そのために、分割磁石が用いられる。【０００７】
一方、回転電機に高回転低トルクが要求されるときには、磁石に生じる渦電流による鉄損が支配的になり、鉄損は、磁石の磁束密度が大きいほど大きくなるので、磁石の磁束密度が小さいことが好ましい。【０００８】
このように、低回転高トルクのときには磁石の磁束密度が大きいほど好ましく、高回転低トルクのときには磁石の磁束密度が小さいほど好ましい。磁石の磁束密度は、磁石の材質によって定まるので、このように互いに反対方向の要求をそのまま満たすのは困難である。特に、分割磁石を用いて渦電流損失を抑制して磁束密度を維持する方法をとるときには、そのままでは磁束密度を減らすことが難しい。【０００９】
本発明の目的は、回転電機の動作状態に応じて、分割磁石の磁束密度を変更することを可能とする回転電機制御システムを提供することである。また、他の目的は、回転電機の分割磁石の磁束密度を変更するために、分割磁石の磁石温度を操作できる回転電機制御システム及び回転電機の磁石温度操作方法を提供することである。以下の手段は、上記目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、分割磁石を用いる回転電機の渦電流損失を調べてゆくうちに、渦電流を発生させる磁界の周波数が低いうちは、分割磁石の分割数を増やすほど渦電流損失が低下する効果があるが、磁界の周波数を増大させると、分割された磁石の大きさと表皮効果との兼ね合いで、渦電流の表面集中によって、磁石の分割数を増やすほど渦電流損失が増大することを見出したことに基く。【００１１】
すなわち、渦電流を発生させる磁界の周波数は、回転電機を駆動するインバータ回路のキャリア周波数に関連するが、キャリア周波数を増大させると、磁石の分割数が大きいものは、表面の渦電流が増大して発熱し、温度が上昇する。これによって磁束密度を小さくすることができる。したがって、磁石の分割数と磁石温度とキャリア周波数との関係を予め求めておき、磁石の分割数を与えて回転電機の動作状態に応じて磁石目標温度を設定し、これに対応するキャリア周波数でインバータ回路を動作させることで、例えば、高回転低トルクのときに磁石温度を高くして磁束密度を小さくし、低回転高トルクのときに磁石温度を低くして磁束密度を大きくすることができる。以下の手段は、この知見を具体化したものである。【００１２】
すなわち、本発明に係る回転電機制御システムは、分割磁石を含むロータを有する回転電機と、キャリア周波数を有する搬送波を用いＰＷＭ制御によって回転電機を駆動するインバータ回路と、回転電機の磁石の磁石目標温度を取得する条件取得手段と、磁石の分割数と磁石温度とキャリア周波数との関係を記憶する記憶部と、磁石の分割数と磁石目標温度とを与えて、記憶部を検索し、対応するキャリア周波数をインバータ回路の搬送波周波数として設定するキャリア周波数設定部と、を備えることを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、回転電機は、高温減磁特性を有する磁石を含み、さらに、回転電機の回転数を取得する回転数取得手段を備え、キャリア周波数設定部は、回転数が高速になるほど磁石目標温度を高く設定することが好ましい。【００１４】
また、本発明に係る回転電機の磁石温度操作方法は、回転電機の磁石の磁石目標温度を取得する条件取得工程と、磁石の分割数と磁石目標温度とを与えて、磁石の分割数と磁石温度とキャリア周波数との関係を記憶する記憶部を検索し、対応するキャリア周波数を回転電機に接続されるインバータ回路の搬送波周波数として設定するキャリア周波数設定工程と、を含むことを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係る回転電機の磁石温度操作方法において、キャリア周波数設定工程は、回転電機が高回転低トルクのときのキャリア周波数と、低回転高トルクのときのキャリア周波数を異なるものとして設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成の少なくとも１つにより、回転電機制御システムは、回転電機の磁石の磁石目標温度を取得し、磁石の分割数と磁石温度とキャリア周波数との関係を記憶する記憶部を検索し、分割数と磁石目標温度に対応するキャリア周波数をインバータ回路の搬送波の周波数に設定する。このようにして磁石温度を変更することで、所望の磁石温度とし、所望の磁束密度の磁石とすることができる。【００１７】
また、回転電機制御システムにおいて、高温減磁特性を有する磁石を含む回転電機の場合には、回転電機の回転数を取得し、回転数が高速になるほど磁石目標温度を高くなるようにキャリア周波数を設定する。これによって、回転数が高いときに磁石の磁束密度を小さくでき、鉄損を減らして効率をよくすることができる。【００１８】
また、上記構成の少なくとも１つにより、回転電機の磁石温度操作方法は、回転電機の磁石の磁石目標温度を取得し、磁石の分割数と磁石目標温度とを与えて、磁石の分割数と磁石温度とキャリア周波数との関係を記憶する記憶部を検索し、対応するキャリア周波数を回転電機に接続されるインバータ回路の搬送波周波数として設定する。このようにして、磁石温度をキャリア周波数の変更で操作できる。【００１９】
また、回転電機の磁石温度操作方法において、回転電機が高回転低トルクのときのキャリア周波数と、低回転高トルクのときのキャリア周波数を異なるものとするので、回転電機の動作状態に応じて磁石温度を最適化し、効率をよくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実施の形態の回転電機制御システムの構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、磁石の分割数について説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、磁石の分割数と磁石温度とキャリア周波数の関係の一例を示す図である。
【図４】本発明の基礎となるシミュレーションにおいて磁界の周波数が低い場合の結果の一例を説明する図である。
【図５】図４における電流密度の様子を説明する図である。
【図６】本発明の基礎となるシミュレーションにおいて磁界の周波数が高い場合の結果の一例を説明する図である。
【図７】図４における電流密度の様子を説明する図である。
【図８】本発明の基礎となるシミュレーションの結果をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機として、車両に搭載される回転電機を説明するが、これは回転電機の動作状態の一例として車両の走行状態を用いたためであって、車両に搭載される回転電機以外の回転電機であってもよい。磁石を含むロータを有する回転電機であればよく、例えば、据え置き型の回転電機であってもよい。
【００２２】
また、回転電機制御システムに含まれる回転電機を１台として説明するが、これは説明のための例示であって、複数台の回転電機を含むものとしてもよい。また、回転電機のロータに含まれる矩形形状の永久磁石がロータの軸方向に沿って複数に分割されるものを説明するが、永久磁石の形状、寸法、分割数等は説明のための例示であって、これ以外の形態であっても構わない。
【００２３】
また、回転電機制御システムに含まれる電源回路として、蓄電装置、電圧変換器、インバータ回路を含むものとして説明するが、これは主たる構成要素を述べたもので、これ以外の構成要素を含むものとしてもよい。例えば、低電圧インバータ回路、システムメインリレー、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を含むものとしてもよい。
【００２４】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２５】
図１は、回転電機制御システム１０の構成を説明する図である。この回転電機制御システム１０は、ハイブリッド車両に搭載される回転電機２０の動作を含む制御を行うものである。回転電機制御システム１０は、回転電機２０とこれに接続される電源回路１２と、制御装置５０と、制御装置５０に接続される記憶部６０とを含んで構成される。
【００２６】
回転電機２０は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、電源回路１２側から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示されていないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する３相同期型回転電機である。
【００２７】
すなわち、回転電機２０は、車両走行の力行のときには、電源回路１２側から供給される交流電力によってモータとして機能する。そして制動時には、発電機として機能して回生エネルギを回収し、電源回路１２側に供給する。
【００２８】
図１には、回転電機２０の構造の模式図が示されている。回転電機２０は、固定子であるステータ２２と、回転子であるロータ２６とを含んで構成される。ステータ２２には、複数のスロット２４が設けられる。図１では、ステータ２２のスロット２４が一部のみが図示されているが、実際には、周方向に沿って一周に渡って複数のスロット２４が設けられる。例えば、４８のスロットが設けられる。勿論、このスロット数は例示であって、これ以外の個数であっても構わない。なお、この複数のスロット２４に図示されていない３相コイル巻線が予め定められた巻線順序で巻回され、３相コイル巻線に所定の３相駆動信号が印加され、これによって、ロータ２６に対する磁界が形成される。
【００２９】
ロータ２６に取り付けられる回転軸２８は、回転電機２０の出力軸である。例えば、この回転軸の出力が図示されていない車両の駆動軸に伝達されることで車両が走行できる。
【００３０】
永久磁石３０，３１は、ロータ２６の径方向に沿って埋め込まれ矩形形状の磁石である。図１では、ステータ２２のスロット２４が一部のみ図示されていることに対応して２つの永久磁石３０，３１のみが図示されているが、実際には、ロータ２６の周方向に沿って、ステータ２２のスロット２４の数に対応して複数個配置される。例えば、４８のスロット２４に対して、８個の永久磁石が配置される。勿論、この磁石数も例示であって、これ以外の個数であってもよい。
【００３１】
永久磁石３０，３１は、ロータ２６の径方向に沿って複数個に分割されている分割磁石である。図２に、永久磁石３０の分割の様子を示す。永久磁石３０は、ロータ２６の径方向に長さＬ0、ステータ２２からの磁界に向かい合う方向の面を幅方向の面として幅寸法Ｗ、幅方向に垂直方向の面を厚さ方向の面として厚さ寸法ｔを有する。この長さＬ0がｎ個に分割され、分割磁石３４のそれぞれは、長さＬ＝（Ｌ0／ｎ）、幅寸法Ｗ、厚さｔを有する。
【００３２】
永久磁石３０，３１は、ステータ２２からの磁界を受けると、その磁界を打ち消すように反対方向の磁界を発生するように渦電流３６が生じる。永久磁石３０，３１を分割するのは、この渦電流３６による損失を全体として抑制するためである。分割数ｎと渦電流損失と磁界の周波数との関係については後述する。
【００３３】
かかる永久磁石３０，３１としては、ネオジウム磁石を用いることができる。ネオジウム磁石は、磁石を構成する元素にネオジウムを含む磁石で、磁束密度、抗磁力ともに大きい強力磁石である。ネオジウム磁石は、高温減磁特性を有し、低温のときの磁束密度が高温のときの磁束密度よりも大きい。
【００３４】
図１に戻り、電源回路１２は、蓄電装置１４と、電圧変換器１６と、インバータ回路１８を含んで構成される。
【００３５】
蓄電装置１４は、充放電可能な高電圧用２次電池である。蓄電装置１４としては、例えば、約２００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。組電池は、単電池または電池セルと呼ばれる端子電圧が１Ｖから数Ｖの電池を複数個組み合わせて、上記の所定の端子電圧を得るようにしたものである。
【００３６】
電圧変換器１６は、蓄電装置１４とインバータ回路１８の間に配置され、電圧変換機能を有する回路である。電圧変換器１６としては、図１に示されるように、リアクトルと、スイッチング素子等を含んで構成することができる。電圧変換機能としては、蓄電装置１４側の電圧をリアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して昇圧しインバータ回路１８側に供給する昇圧機能と、インバータ回路１８側からの電力を蓄電装置１４側に降圧して充電電力として供給する降圧機能とを有する。なお、電圧変換器１６には、電圧、電流の変動を抑制する平滑コンデンサが含まれる。
【００３７】
インバータ回路１８は、回転電機２０に接続される回路で、複数のスイッチング素子と逆接続ダイオード等を含んで構成され、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う機能を有する。すなわち、インバータ回路１８は、回転電機２０を発電機として機能させるときは、回転電機２０からの交流３相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置１４側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機２０をモータとして機能させるときは、蓄電装置１４側からの直流電力を交流３相駆動電力に変換し、回転電機２０に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。なお、インバータ回路１８には、電圧、電流の変動を抑制する平滑コンデンサと、このコンデンサを放電させるための放電抵抗が含まれる。
【００３８】
インバータ制御部４８は、制御装置５０から与えられる回転電機２０の動作状態等に基いて、インバータ各相電圧指令信号を生成し、このインバータ各相電圧指令信号と予め与えられる搬送波信号とを比較して、パルス状の各相ＰＷＭ信号を生成し、この各相ＰＷＭ信号をインバータ回路１８において対応するそれぞれのスイッチング素子に出力する機能を有する回路である。ここで搬送波信号はキャリア信号とも呼ばれ、例えば、三角波信号が用いられる。このキャリア信号の周波数をキャリア周波数ｆと呼ぶことにして、キャリア周波数ｆは、制御装置５０から与えられる。
【００３９】
制御装置５０は、回転電機制御システム１０を構成する各要素の動作を全体として制御する機能を有し、ここでは特に、回転電機の動作状態に応じて、すなわち車両の走行状態に応じて、永久磁石３０，３１の磁束密度を変化させる機能を有する。
【００４０】
そのために、制御装置５０には、磁石目標温度４０、磁石の分割数４２、回転電機の回転数４４が制御入力データとして入力される。回転数４４は、回転電機２０の回転数センサから伝送されるデータを用いることができるが、図示されていない車速センサから伝送される車速データを回転電機２０の回転数に換算したものでもよい。磁石の分割数４２は、回転電機２０に固有であるので、回転電機が決まれば、予め固定値として与えておくことができる。磁石目標温度４０は、回転数４４に対応して設定される場合には、回転数４４との関連付けデータを伝送するものとできる。回転数４４に対応せずに予め定めた値とするときは、予め固定値として与えておくものとしてもよい。かかる制御装置５０は、適当なコンピュータで構成できる。例えば、車両の搭載に適したコンピュータで構成することができる。
【００４１】
制御装置５０は、磁石目標温度４０を条件として取得する条件取得処理部５２と、回転数４４も条件として取得する回転数取得処理部５４と、磁石の分割数ｎと磁石温度ＴMとキャリア周波数ｆとの関係を予め求めておき、その関係に基いて、磁石目標温度４０、磁石の分割数４２、回転数４４に応じたキャリア周波数ｆを求めて、インバータ制御部４８に与えるキャリア周波数設定処理部５６を含んで構成される。
【００４２】
かかる機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、回転電機制御プログラムのキャリア周波数設定に関する部分を実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００４３】
記憶部６０は、回転電機制御プログラム等を記憶する機能を有するが、ここでは特に、上記の磁石の分割数ｎと磁石温度ＴMとキャリア周波数ｆとの関係を示す関係ファイル６２を記憶する機能を有する。
【００４４】
図３は、関係ファイル６２の内容の一例を示す図である。ここでは、横軸にキャリア周波数ｆがとられ、縦軸に磁石温度ＴMに対応するものとして磁石渦電流損失密度割合がとられている。磁石渦電流損失密度は、磁石の単位質量あたりの渦電流損失である。磁石渦電流損失密度割合とは、基準の磁石渦電流密度を１として規格化した値である。したがって、磁石渦電流損失密度割合が大きいほど、磁石温度が高くなる。そして、磁石の分割数ｎとして、ｎ1からｎ8までの８種類について、磁石温度ＴMとキャリア周波数ｆの関係が示されている。磁石の分割数において、ｎ1＝１で分割されていない場合を示し、ｎ1＜ｎ2＜ｎ3＜ｎ4＜ｎ5＜ｎ6＜ｎ7＜ｎ8である。
【００４５】
図３に示されるように、キャリア周波数ｆが１ｋＨｚから５ｋＨｚの範囲では、磁石渦電流損失割合がキャリア周波数に対しほぼ一定であり、この範囲では、分割数ｎを増やすことで、磁石渦電流損失割合が確実に低下している。ところが、キャリア周波数がおよそ５ｋＨｚを超えると、磁石渦電流損失割合がキャリア周波数の増加と共に増加してくる。その増加の割合は、分割数が多くなるほど著しくなる。そして、キャリア周波数が約２０ｋＨｚを超えると、分割数を増やすことがかえって磁石渦電流損失割合を増加することになる。
【００４６】
従来技術では、キャリア周波数ｆを変化させたとしても１ｋＨｚから５ｋＨｚの範囲で行われているので、この範囲を常用キャリア周波数範囲と呼ぶことができるが、この範囲では、分割数ｎを増やすことで、磁石渦電流損失割合が確実に低下している。つまり、磁石分割によって渦電流損失を抑制し、磁束密度を維持することができている。図３は、この常用周波数を超えるキャリア周波数における磁石の分割数ｎと磁石の渦電流損失割合を調べたところ、分割数を増やすことで、かえって磁石渦電流損失割合が増加することを見出した結果を反映した関係ファイル６２である。
【００４７】
関係ファイル６２は、図３に示されるようなマップ形式のものとして説明した。関係ファイル６２は、磁石の分割数ｎと磁石温度ＴMとキャリア周波数ｆとの関係を示すものであればよく、マップ形式以外でも、数式の形式、ルックアップテーブルの形式等であってもよい。
【００４８】
このような関係ファイル６２は、シミュレーションの結果を反映して作成されたものである。図４から図８を用いて、シミュレーションの結果から関係ファイル６２を導き出す経過を説明する。シミュレーションは、図２で説明した永久磁石３０において、Ｌ0＝１３５ｍｍ、Ｗ＝１５ｍｍ、ｔ＝４ｍｍとし、１つのサンプルは分割なし、つまり分割数ｎ＝１とし、もう１つのサンプルはＬ＝１０ｍｍ、つまり分割数ｎ＝１５としたものに対して行った。なお、Ｌ＝１０ｍｍのサンプルは、図３の分割数ｎ6に相当する。シミュレーションの計算は、図２で示した磁界の方向に周波数ｆの交流磁界を与えて、そのときの渦電流密度分布を求めることで行った。交流磁界の周波数ｆは、回転電機２０におけるキャリア周波数ｆに相当するので、以下では交流磁界の周波数ｆをキャリア周波数ｆと呼ぶことにする。
【００４９】
図４と図５は、キャリア周波数をいわゆる常用キャリア周波数範囲としてシミュレーションを行った結果を示すものである。ここでは、キャリア周波数ｆ＝２ｋＨｚとした。図４は、渦電流密度分布を示す分布図で、白いところが渦電流の流れている部分に相当する。なお、電流の流れを表すベクトルを矢印で示した。図５は、Ｌ＝１３５ｍｍのサンプルの幅方向であるＡ−Ａ’における渦電流密度分布を数値で示す図である。
【００５０】
図４、図５から、渦電流は、渦の中心に向かって単調に減少していることが分かる。したがって、磁石分割を行うことで、渦電流を減少させることができていることが分かる。この結果は、磁石分割によって渦電流損失を抑制するという従来技術と一致している。
【００５１】
図６と図７は、キャリア周波数について常用周波数範囲を超えるものとしてシミュレーションを行った結果を示すものである。ここでは、キャリア周波数ｆ＝５０ｋＨｚとした。図６は、渦電流密度分布を示す分布図で、白いところが渦電流の流れている部分に相当する。図７は、Ｌ＝１３５ｍｍのサンプルの幅方向であるＡ−Ａ’における渦電流密度分布を数値で示す図である。図６、図７に示されるように、電流は磁石の周辺部に偏在し手いる。これは、渦電流の周波数が高周波になることでいわゆる表皮効果が生じ、渦電流が表面に偏在していることを示している。すなわち、図７に示されるように、渦電流密度分布は、図５に比べ、周辺に偏在し、約１桁大きい値となっている。
【００５２】
このように表皮効果によって渦電流密度分布が磁石の表面である周辺部に偏在して電流の集中が生じると、磁石を分割することで、かえってこの電流集中路の周囲長が増加することになる。その結果、渦電流損失が増加することになる。これが、キャリア周波数について常用キャリア周波数範囲を超すときに、分割数を増加するとかえって渦電流損失が増加する理由であると考えられる。
【００５３】
図８は、さらに分割数を様々に変えて、キャリア周波数ｆも様々に変えて、シミュレーションを行った結果をまとめたものである。ここでｈ、横軸に分割数ｎがとられ、縦軸は磁石渦電流損失密度の相対値がとられている。そして、パラメータとして、キャリア周波数ｆが０．６ｋＨｚから５０ｋＨｚまで６種類とられている。図８において、例えば、２δ（２０ｋＨｚ）として示されているのは、キャリア周波数ｆ＝２０ｋＨｚにおける表皮深さδの２倍の長さである。表皮深さδは、δ＝｛１／（πμ0μrσｆ）｝１／２で表される。ここで、μ0は真空の透磁率、μrは比透磁率、σは導電率、ｆはキャリア周波数である。
【００５４】
ここでは、Ｌ0＝１３５ｍｍとしているので、それぞれのキャリア周波数ｆに対応する２δに相当する分割数のところが示されている。これは、図６で説明した表皮効果によって電流集中路の周囲長が増加することで渦電流損失が増加すると考えたときに、理論的には、表皮深さδの２倍のところで、渦電流損失が最大となるため、参考として示したものである。
【００５５】
図８に示されるように、キャリア周波数ｆが低い常用キャリア周波数範囲では、分割数ｎを増加させることで、確実に渦電流損失密度が減少する。ところが、常用キャリア周波数範囲を超えるキャリア周波数ｆでは、典型的にはｆ＝５０ｋＨｚに見られるように、ある分割数のところで渦電流損失密度が最大となる。つまり、分割数を増加させるとかえって渦電流損失密度が増加することになる。渦電流損失密度が最大になるキャリア周波数ｆは、分割数が大きいほど、高周波側となる。
【００５６】
換言すれば、分割数をあまり大きくすると、分割数に対応するキャリア周波数以上で、キャリア周波数が増加するにしたがって、渦電流損失密度が増大する。渦電流損失密度が増加すると磁石温度が上昇する。図８の結果から、横軸にキャリア周波数をとり、縦軸に渦電流損失密度割合をとり、分割数をパラメータとして書き換えたものが図３に相当する。
【００５７】
図３に戻って、上記構成の作用を説明する。回転電機２０が動作中のとき、あるいは車両の走行中に、磁石目標温度４０、回転数４４を取得する。なお、磁石の分割数４２は、回転電機２０に固有であるので、予め分かっているので、その値を例えば適当なメモリに記憶させておいて、これを用いることができる。この条件取得工程は、制御装置５０の条件取得処理部５２、回転数取得処理部５４によって実行される。例えば、取得した回転数が低回転数である場合には、回転電機２０を低回転高トルクで動作させたい。これを車両の走行状態でいえば、市街地走行に相当する。このように回転電機２０を低回転高トルクで動作させるときは、磁束密度が大きい方が、高トルクを出しやすく、回転電機２０の効率がよくなる。
【００５８】
永久磁石３０，３１は上記のように高温減磁特性を有するので、磁石目標温度を磁束密度が大きくなるように、低温側のＴMLに設定する。そして、予め分かっている永久磁石３０，３１の分割数ｎを用いて、このＴMLに対応するキャリア周波数ｆを求めることができる。図３において、分割数をｎ6とすれば、キャリア周波数ｆが約５ｋＨｚと求められる。
【００５９】
一方、取得した回転数が高回転数である場合には、回転電機２０を高回転低トルクで動作させたい。これを車両の走行状態でいえば、高速道路走行に相当する。このように回転電機２０を高回転低トルクで動作させるときは、磁束密度が小さい方が少ない鉄損となり、回転電機２０の効率がよい。永久磁石３０，３１は上記のように高温減磁特性を有するので、磁石目標温度を磁束密度が小さくなるように、高温側のＴMHに設定する。そして、この永久磁石３０，３１の分割数ｎを与えれば、このＴMHに対応するキャリア周波数ｆを求めることができる。図３において、分割数をｎ6とすれば、キャリア周波数ｆが約４０ｋＨｚと求められる。
【００６０】
このようにして、関係ファイル６２を用いることで、回転電機２０の動作状態に応じて、あるいは車両の走行状態に応じて、最適の磁石温度にするキャリア周波数ｆを求めることができる。求められたキャリア周波数ｆは、インバータ制御部４８に伝送され、このキャリア周波数ｆに基いてインバータ回路１８のＰＷＭ制御が実行される。この一連の工程をまとめて、キャリア周波数設定工程と呼ぶことができるが、制御装置５０のキャリア周波数設定処理部５６の機能によって実行される。このようにして、回転電機の動作状態に応じて、磁石の分割数ｎに対応してキャリア周波数ｆを変更することで、磁石温度を操作し、分割磁石の磁束密度を変更することができる。なお、関係ファイル６２には磁石の分割数４２にも関連付けられているので、磁石の分割数４２が異なる別の回転電機２０についても同じ関係ファイル６２を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明に係る回転電機制御システムは、永久磁石を有する回転電機の制御に利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１０  回転電機制御システム、１２  電源回路、１４  蓄電装置、１６  電圧変換器、１８  インバータ回路、２０  回転電機、２２  ステータ、２４  スロット、２６  ロータ、２８  回転軸、３０，３１  永久磁石、３４  分割磁石、３６  渦電流、４０  磁石目標温度、４２  磁石の分割数、４４  回転数、４８  インバータ制御部、５０  制御装置、５２  条件取得処理部、５４  回転数取得処理部、５６  キャリア周波数設定処理部、６０  記憶部、６２  関係ファイル。
【図１】
2011148457.tif 000003
【図２】
2011148457.tif 000004
【図３】
2011148457.tif 000005
【図４】
2011148457.tif 000006
【図５】
2011148457.tif 000007
【図６】
2011148457.tif 000008
【図７】
2011148457.tif 000009
【図８】
2011148457.tif 000010
【国際調査報告】
2011148457.tif 000011
2011148457.tif 000012